Int. bombas centrífugas
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Int. bombas centrífugas Int. bombas centrífugas Document Transcript

  • INTRODUCCIÓN A LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Miguel Muñoz
  • Contenido1 - INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 3 2 -TIPOS DE BOMBAS ............................................................................... 43 - BOMBAS CENTRÍFUGAS ......................................................................... 7 3.1 - FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS........................... 7 4 - PASOS PARA LA ELECCIÓN DE UNA BOMBA ................................ 125 - CONDICIONES DE OPERACIÓN .......................................................... 13 5.1 - CAUDAL ........................................................................................... 13 5.2 - ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL.................................................... 14 5.3 - RENDIMIENTO Y POTENCIA ABSORBIDA ................................... 17 5.4 - CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS ........ 18 5.5 - ALTURA DE ELEVACIÓN DE UNA BOMBA .................................... 23 5.6 - PUNTO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA ........................................ 24 5.7 - RELACIONES CARACTERÍSTICAS EN LAS BOMBAS CENTRÍGUGAS (LEY DE AFINIDAD) .............................. 26 5.8 - NPSH ............................................................................................... 30 5.9 - CARACTERÍSTICAS DEL LÍQUIDO ................................................ 34 5.10 - CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA ............................................ 34 5.11 - FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE LAS BOMBAS ............... 40 5.12 - FUNCIONAMIENTO EN SERIE DE LAS BOMBAS ....................... 41 5.13 - SELECCIÓN DE UNA BOMBA ....................................................... 42 2
  • 1 - INTRODUCCIÓNUna bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía(generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energíahidráulica del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puedeser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigónantes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, seaumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según elprincipio de Bernoulli.En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquidoañadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona demenor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.Existe una ambigüedad en la utilización del término bomba, ya quegeneralmente es utilizado para referirse a las máquinas de fluido quetransfieren energía, o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteranla densidad de su fluido de trabajo, a diferencia de otras máquinas como lo sonlos compresores, cuyo campo de aplicación es la neumática y no la hidráulica.Pero también es común encontrar el término bomba para referirse a máquinasque bombean otro tipo de fluidos, así como lo son las bombas de vacío o lasbombas de aire.2 -TIPOS DE BOMBASLa principal clasificación de las bombas se realiza atendiendo al principio defuncionamiento en el que se basan:Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas, en las que el principiode funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el aumento depresión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían suvolumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor genera demanera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que también sedenominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumenmáximo de la cilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si esevolumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es devolumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en  Bombas de émbolo alternativo, en las que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial. 3 View slide
  •  Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas, en las que una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica. Bombas rotodinámicas, en las que el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es contínuo. Estas turbomáquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en: • Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor. • Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro. • Diagonales o helicocentrífugas cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete. 4 View slide
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  • 3 - BOMBAS CENTRÍFUGASUna bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma laenergía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía cinética ypotencial requeridas. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto dela velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, laenergía que se aplica por unidad de masa del líquido es independiente de ladensidad del líquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a ciertavelocidad y que maneje un volumen definido de líquido, la energía que seaplica y transfiere al líquido, es la misma para cualquier líquido sin que importesu densidad. Por tanto, la carga o energía de la bomba en metros y es por esopor lo que se denomina genéricamente como "altura".Las bombas centrífugas tienen un uso muy extenso en la industria ya que sonadecuadas casi para cualquier servicio. Las más comunes son las que estánconstruidas bajo normativa DIN 24255 (en formas e hidráulica) con un únicorodete, que abarcan capacidades hasta los 500 M3/h y alturas manométricashasta los 100 metros con motores eléctricos de velocidad estándar. Estasbombas se suelen montar horizontales, pero también pueden estar verticales ypara alcanzar mayores alturas se fabrican disponiendo varios rodetessucesivos en un mismo cuerpo de bomba. De esta forma se acumulan laspresiones parciales que ofrecen cada uno de ellos. En este caso se habla debomba multifásica o multietapa, pudiéndose lograr de este modo alturas delorden de los 1200 metros para sistemas de alimentación de calderas.Constituyen no menos del 80 % de la producción mundial de bombas, porquees la más adecuada para manejar más cantidad de líquido que la bomba dedesplazamiento positivo.No hay válvulas en las bombas de tipo centrífugo; el flujo es uniforme y libre depulsaciones de baja frecuencia.3.1 - FUNCIONAMIENTO DE BOMBAS CENTRÍFUGASLas bomba centrifuga consiste de un elemento móvil, denominado impulsor,donde un cierto número de alabes, dirigen el movimiento de las partículas deliquido. El impulsor gira en una cámara cerrada denominada caja o carcasadebido a la energía conferida por un motor, que puede ser eléctrico o decombustión interna. El liquido contenido entre los alabes, por efecto de lafuerza centrífuga, incrementa su energía cinética la cual se transformaparcialmente en energía potencial en la carcasa de la bomba.Para la conversión de velocidad en presión, se emplean los difusores, lasvolutas o los tazones, dependiendo del diseño de la bomba. Cuando se empleaun difusor, este consta de varios canales de sección variable que rodean alimpulsor, fabricados en una sola pieza, tal como se observa en la Figura 1a. 6
  • Cuando el canal es único, este tiene generalmente la forma de un espiral desección variable y recibe el nombre de “caracol” o voluta, tal como se muestraen la Figura 1b.En el caso de los tazones, los canales demás de servir como medio para laconversión de caudal en presión, se utilizan como medio de conducción dellíquido para la etapa siguiente. 7
  • 3.2 - CLASIFICACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGASLas bombas centrifugas se clasifican de acuerdo a los criterios mostrados en laTabla1.Las bombas axiales no son bombas centrifugas, pero por tener un funcionamientomuy similar a ellas se han incluido en esta clasificación. 8
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  • .4 - PASOS PARA LA ELECCIÓN DE UNA BOMBALos pasos básicos para la elección de cualquier tipo de bomba son:- Elaborar un diagrama de la disposición de bomba y tuberías.- Determinar el caudal de bombeo.- Calcular la altura manométrica total.- Estudiar las condiciones del liquido- Elegir la clase y tipo de bomba.Este procedimiento es explicado en detalle en los siguientes puntos. 12
  • 5 - CONDICIONES DE OPERACIÓN5.1 - CAUDALPara seleccionar equipos de bombeo, se deben determinar el caudal o losdiversos caudales con que trabajarán estos equipos durante su vida útil. Enproyectos de saneamiento, los caudales correspondientes a la vida útil de losequipos son los caudales del proyecto. Para la mayoría de las bombas elperiodo de diseño es 10 años.En proyectos de agua potable, el caudal que se utiliza para la selección debombas es, una proporción del caudal máximo diario en función del número dehoras de bombeo, así:Donde:Qb = Caudal de bombeo, l/s.Qmax.d = Caudal máximo diario, l/s.N = Número de horas de bombeo.Para la selección de bombas en proyectos de aguas residuales, se deben teneren cuenta los siguientes caudales de la red de alcantarillado: caudal máximodel proyecto, caudal promedio inicial, caudal promedio del proyecto y caudalmínimo inicial.Las bombas deben tener la capacidad de impulsar el caudal máximo deproyecto. Los caudales promedio, inicial y de proyecto son importantes paraseleccionar equipos que funcionen lo más eficiente posible para los caudalesmedios.Los caudales mínimos tienen importancia para dimensionar la tubería deimpulsión con una velocidad que evite la deposición de sólidos.La inadecuada selección de los equipos de bombeo por una incorrectadeterminación de los caudales del proyecto, podría tener graves consecuenciaspara las bombas durante su operación. Si la bomba seleccionada trabaja concaudales mayores al nominal, podrá haber sobrecarga del motor y cavitación, yla bomba trabajará con bajo rendimiento. Si la bomba trabaja con caudalesmenores al nominal, la bomba podrá trabajar con bajo rendimiento y, en casode capacidad extremadamente baja, podrá presentarse calentamientoexcesivo. 13
  • 5.2 - ALTURA MANOMÉTRICA TOTALLa altura manométrica total Ht es aquella contra la que trabajará la bombadurante su funcionamiento, comprende los siguientes ítems: alturas estáticasde succión e impulsión, las perdidas por rozamiento, la altura de velocidad,pérdidas de carga locales y la diferencia de presión existente sobre el líquidoen el lado de la succión y en el lado de la impulsión.La altura estática de succión (hs), es la distancia vertical del nivel del niveldel líquido en el pozo de succión a la línea del centro de la bomba; puede serpositiva o negativa, conforme al líquido se encuentre encima o debajo de lalínea central de la bomba (Fig.4).La altura estática de impulsión (hi), es la distancia vertical de la línea delcentro de la bomba al punto de descarga, o al nivel más alto en el tanque dedescarga cuando la alimentación es hecha por el fondo del tanque (Fig.4).La energía de velocidad vi2/2g se considera que se pierde en la descarga dela tubería de impulsión; en la práctica, esta pérdida de energía se toma comoequivalente a una pérdida en la salida y se incluye como pérdida localizada. Sepuede despreciar para alturas estáticas mayores de 50 metros en cálculos depoca precisión.En las Figura 4 se muestra en forma gráfica la determinación de la alturamanométrica total en diferentes casos de succión e impulsión de una bombacentrifuga de eje horizontal y en la Figura 5 la determinación de la alturamanométrica para una bomba centrifuga de eje vertical de pozo profundo. 14
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  • Finalmente, para calcular la altura manométrica en una cámara de aspiraciónde aguas residuales, se debe considerar que el nivel de agua varía entre losescalones de control de arranque y parada de las bombas, y la superficie delagua en el punto de descarga (Fig. 6).5.3 - RENDIMIENTO Y POTENCIA ABSORBIDALa eficiencia de una bomba se mide en base al caudal que se descarga contrauna altura dada y con un rendimiento determinado. El rendimiento de labomba viene dado por:Donde:Pi = Potencia absorbida, HP.= Peso especifico del líquido a ser bombeado.Q = Caudal, m3/s.Ht = Altura manométrica, m.= Rendimiento de la bombaPara determinar la potencia absorbida por el motor, se divide la potenciaabsorbida por la bomba entre la eficiencia del motor:Donde,Pm = Potencia del motorm = Rendimiento de motor.Los rendimientos de las bombas generalmente varían entre 60% y 85%.Las pérdidas de energía dentro de las bombas pueden clasificarse comovolumétricas, mecánicas e hidráulicas.Las pérdidas volumétricas son producidas debido a la existencia de pequeñasseparaciones entre la carcasa y el impulsor por donde pueden presentarsefugas. 17
  • Las pérdidas mecánicas son originadas por fricciones mecánicas en lasempaquetaduras y cojinetes, discos internas y esfuerzos cortantes creados porel líquido. Las pérdidas hidráulicas consisten en pérdidas por fricción yparásitas que se producen en la circulación del agua.Aun cuando es deseable adquirir una bomba con alto rendimiento, esconveniente ponderar su valor teniendo en cuenta otros factores, como porejemplo, el costo inicial, la velocidad de rotación y la durabilidad.5.4 - CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS CENTRÍFUGASLas características de funcionamiento de una bomba centrifuga se representapor una serie de curvas en un gráfico de coordenadas Q-H; Q-P y Q-. Acualquier punto Qx le corresponde un valor en las ordenadas Hx, Px y x, loscuales determinan las variables dependientes de altura, potencia y rendimiento 18
  • Podemos verificar que la bomba centrifuga puede abastecer un caudal que vadesde cero hasta cierto valor máximo, que depende del tipo y tamaño de labomba y de las condiciones de succión. El rendimiento aumenta con el caudal,hasta un punto máximo, y después decrece hasta volverse cero, en laordenada cero. Cada curva corresponde a una determinada velocidad derotación de la bomba y a un diámetro del impulsor.5.4.1 - CURVA CARACTERÍSTICA Q-H DE UNA INSTALACIÓNLa pérdida de presión o altura que se experimenta en cualquier punto de unainstalación viene dada en función del cuadrado de la velocidad del líquidocirculante. Dado que Q = S.v, lo anterior equivale a decir que depende delcaudal circulante con una fórmula genérica del tipo Hp = ϕ Q2, dónde ϕ es elparámetro que representa las características físicas (diámetros, longitud,materiales, obstáculos, etc.) del trazado.(fig 10). 19
  • Las características de un sistema de bombeo pueden representarse en ungráfico caudal (Q) versus altura (H), partiendo de una ordenada igual a Hg(altura estática) para Q=0 y trazando la curva de perdida de carga por fricción(hf) en función del caudal.Fig. 8.- Curvas del sistema y puntos de operación de la bombaA cada caudal (Q) le corresponde una determinada altura (H). Las variacionesde la altura estática generan otras curvas del sistema. La intersección entre lacurva característica de la bomba y cada curva del sistema definen los puntosde trabajo (A y A´).Como el desgaste y las incrustaciones en las tuberías se incrementan con eltiempo, usualmente la pérdida de carga por fricción y por ende la curva delsistema se calculan considerando una antigüedad de las tuberías entre 10 a 15años. 20
  • La pérdida de carga estimada de esta manera, será superior al valor real de lapérdida cuando la tubería es nueva. Como consecuencia, en el inicio de laoperación, la bomba trabajará con una altura inferior a la calculada y con uncaudal superior para el cual fue seleccionado.5.4.2 - CURVA CARACTERÍSTICA Q-H DE UNA BOMBAAnálogamente a lo que ocurre con las instalaciones las característicashidraúlicas de una bomba se expresan mediante una curva construida sobrelos ejes Q-H de caudal y altura.Los puntos de dicha curva son obtenidos en fábrica mediante elestrangulamiento de una válvula colocada a la salida de la bomba que simulaun cerramiento paulatino de grifos hasta llegar al cierre total. Los caudales yalturas correspondientes a distintas posiciones de la válvula son obtenidosmediante caudalímetros y manómetros, respectivamente. Por ejemplo en la curva Q-H de la figura 12 la bomba impulsando un caudal de5 l/seg. lo eleva a 20 ms de altura pero si, por estrangulamiento de la válvula deprueba, reducimos el caudal a 2 l/seg. lo elevará a 50 ms; y si la cerramoscompletamente el manómetro nos señalará 57 m. de altura. 21
  • Representemos ahora simultáneamente la curva demanda de una instalación yla curva característica de una cierta bomba comercial (fig. 13) 22
  • 5.5 - ALTURA DE ELEVACIÓN DE UNA BOMBALa altura total de elevación de una bomba, en cualquiera de los puntos de sucurva Q-H, está formada por la altura de aspiración H(a) y la altura de impulsiónH(i), (fig. 14).Ahora bien ambas tienen una componente estática E y una componentedinámica D. La componente estática del tramo de aspiración es la alturageométrica desde la superficie del líquido hasta el eje de la bomba, mientrasque la del tramo de impulsión ha de ser la altura geométrica desde el eje de labomba hasta el punto de agua más desfavorable. Por su parte la componentedinámica en el tramo de aspiración ha de ser la presión necesaria para vencerel rozamiento del tramo de aspiración Hg(a), mientras que la componentedinámica del tramo de impulsión ha de ser la presión necesaria para vencer elrozamiento del tramo de impulsión Hg(i) más la presión residual Hr exigible alpunto de agua más desfavorable.Llamando Hg a la altura total de elevación y Hp a la presión total necesaria paravencer las pérdidas de carga podemos escribir 23
  • Hg componente dinámica o cinéticaHp + Hr componente estática ó piezométrica5.6 - PUNTO DE OPERACIÓN DEL SISTEMATal como fue adelantado en el punto anterior, el punto de operación de labomba lo determina la intersección entre la curva del sistema y la curvacaracterística de la bomba seleccionada. En seguida se explica como sedetermina el punto de operación de la bomba para diferentes casos:5.6.1 - EN TUBERÍAS EN SERIESea un sistema de dos tuberías de diámetro D1 y D2. La fricción en cadasección de tubería está representada por su propia curva. La curva resultantees la suma de las ordenadas de las dos curvas.5.6.2 - EN TUBERÍAS EN PARALELOSea un sistema el cual se deriven dos tuberías en paralelo (considerandoinsignificante la fricción del tramo OA). La curva resultante es la suma de lasabscisas de las dos curvas. 24
  • 5.6.3 - EXTRACCIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEALa característica producción-descenso de un pozo, o sea su curva de aforo,puede plotearse en el grafico Q-H puesto que el descenso S es función de Q.El punto A, intersección de la curva característica del pozo con la curva de labomba, es el punto de trabajo. 25
  • 5.7 - RELACIONES CARACTERÍSTICAS EN LAS BOMBAS CENTRÍGUGAS (LEY DE AFINIDAD)Para seleccionar una bomba adecuadamente se debe conocer las relacionesque permiten obtener la curva característica de la bomba para una rotacióndiferente de aquella para la cual se conoce su curva característica. Otrasrelaciones permiten predecir la nueva característica de una bomba si sereduciría el diámetro del impulsor, dentro de los límites aceptables por cadatipo de bomba.5.7.1 - VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE LA BOMBACuando se varía la velocidad de rotación (n): el caudal de bombeo (Q) en cadapunto de la curva característica varía en proporción directa a la velocidad derotación; la altura (H) varía con el cuadrado de la velocidad de rotación y lapotencia (P) consumida varía con el cubo de la velocidad de la rotación. 26
  • 5.7.2 - VARIACIÓN DEL DIÁMETRO IMPULSORSi se reduciría el diámetro del impulsor una bomba (D), manteniendo la mismavelocidad de rotación: el caudal en cada punto de la curva característica variaráen proporción directa del diámetro; la altura variara con el cuadrado deldiámetro y la potencia consumida variara con el cubo del diámetro.La confiabilidad de las relaciones anteriores es limitada a variaciones de ±20%respecto a las características originales, especialmente en lo que se refiere a larelación de potencia; puesto que en ellas se supone que el rendimiento semantenga constante, condición esta que no se verifica en la práctica.5.7.3 - AMPLIACIÓN PRÁCTICA DE LA LEY DE AFINIDADLas ecuaciones descritas anteriormente, permiten determinar la curvacorrespondiente al impulsor de una bomba que pasa por un determinado punto(C), donde trabajará con un caudal Q1 y una altura H1. La curva relativa alimpulsor de diámetro D2 es conocida y es deseable que el punto C caiga sobrela curva correspondiente al diámetro del impulsor D1. Se supone que lavelocidad de rotación es constante. 27
  • Determinación del diámetro de impulsor requeridoSe ubica sobre la curva del impulsor D2 el punto conocido B(Q2,H2). Eldiámetro del impulsor correspondiente a la curva incógnita se determinamediante la siguiente relación:En este caso, la potencia de la bomba se calculará de la siguiente manera: 28
  • 5.8 - NPSHPara la selección de bombas en general, debe considerarse que la determinaciónde la altura manométrica de succión también depende de los siguientes factores:  Altitud del lugar de instalación de la bomba.  Temperatura de líquido.  Gravedad especifica del líquido.Estos factores y otros estudiados anteriormente; la altura estática de succión y lascaracterísticas de la línea de succión (diámetro, extensión, accesorios, etc.),intervienen en la determinación del NPSH (“net positive suction head”), el cuallimita las condiciones de la línea de succión en la forma que se explicará acontinuación.El NPSH puede ser definido como la presión estática a que debe ser sometido unliquido, para que pueda fluir por si mismo a través de las tuberías de succión yllegar a inundar los alabes en el orificio de entrada del impulsor de una bomba.La presión en cualquier punto del sistema de bombeo deberá ser mayor a lapresión de vapor del liquido bombeado, para evitar la ocurrencia del fenómenode cavitación en la tubería de succión o en los alabes del impulsor de la bomba.El punto más crítico es la entrada del impulsor, donde ocurre la presión más baja. 29
  • Por tanto, si mantuviéramos la presión en la entrada del impulsor superior a lapresión de vapor, no tendremos vaporización en la entrada de la bomba yevitaremos así, el fenómeno de cavitación.El fin práctico, por tanto, del NPSH es imponer limitaciones a las condiciones desucción, de modo a mantener la presión en la entrada del impulsor de la bombasobre la presión de vapor del líquido bombeado.5.8.1 - NPSH REQUERIDOEl fabricante define las limitaciones de succión de una bomba mediante lacurva del NPSH requerido por la misma, para varios valores de caudal.El NPSH requerido depende exclusivamente del diseño interno particular de cadabomba y varía mucho con el caudal y la velocidad de la bomba. Varía tambiénentre bombas distintas de un mismo fabricante y con mayor razón entre las dedistintos fabricantes.Actualmente, toda curva característica de una bomba incluye la curva de NPSHrequerido en función del caudal. Esta curva describe la magnitud de la presióntotal, que debe existir como mínimo en la entrada de la bomba para evitar lacavitación o en otras palabras permite calcular las alturas máximas de succión dela bomba para cada valor de caudal.5.8.2 - NPSH DISPONIBLEEs la presión abastecida por el sistema hidráulico externo a la bomba ydepende exclusivamente de las características hidráulicas de la red externa desucción conectada a la bomba.Para que la instalación opere satisfactoriamente, sin fallas hidráulicas nimecánicas, el NPHS disponible en el sistema deberá ser mayor por lomenos en 0.50 metros al NPSH requerido por la bomba.El NPSH disponible se calculará de la siguiente manera: 30
  • Donde:P = Presión externa en el tanque o pozo de succión, en los casos detanques abiertos a la atmósfera, P=0.Pa = Presión atmosférica.Pv = Presión de vapor del liquido bombeado, a la temperatura de bombeo.Hs = Altura estática de succión: positiva cuando el nivel del tanque desucción esté sobre la línea de eje de la bomba y negativa cuando estédebajo.Σhf = Sumatoria de todas las perdidas de carga en la línea de succión.G.E = Gravedad especifica del liquido bombeado.5.8.3 - CAVITACIÓNLa cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se producecuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidadpor una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a laconservación de la constante de Bernoulli (Principio de Bernoulli). Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma quelas moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor,formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadasviajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquidode manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo unaestela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina estefenómeno.La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas puedendisiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si lazona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende adebilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar lasuperficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida depresión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor.Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una paredsólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar lacavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas,ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando laimpresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de lamáquina. 31
  • La cavitación de succión ocurre cuando la succión de la bomba se encuentraen unas condiciones de baja presión/alto vacío que hace que el líquido setransforme en vapor a la entrada del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde elvacío desaparece y el vapor del líquido es nuevamente comprimido debido a lapresión de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosión sobrela superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones decavitación de succión presenta grandes cavidades producidas por los trozos dematerial arrancados por el fenómeno. Esto origina el fallo prematuro de labomba.Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga. 32
  • Para evitar la cavitación: 33
  • 5.9 - CARACTERÍSTICAS DEL LÍQUIDOSe debe especificar el tipo y las características del líquido a bombear, este datoes importante para determinar el tipo y tamaño de la bomba, tipo de impulsoresy para establecer los materiales a utilizarse.Son importantes los siguientes parámetros físicos y químicos del líquido abombearse: TemperaturaDebe ser indicado el rango de temperatura del líquido en el cual trabajará labomba, es recomendable ser muy concreto en este aspecto y evitar darindicaciones tales como “es agua limpia a temperatura ambiente”.Gravedad especificaDebe ser indicado la gravedad específica del líquido a la temperatura debombeo, es vital para una correcta determinación de la potencia de la bomba.ViscosidadCuando la viscosidad del líquido manejado es distinta a la del agua, lacapacidad de la bomba y la altura y potencia de bombeo deben ser corregidas. pHEl conocimiento del pH que tenga el líquido a bombearse servirá paraseleccionar el material adecuado de la bomba y sus componentes.Sólidos en suspensiónEl tamaño y naturaleza de los sólidos suspendidos en el líquido determinarán eltipo y el material del impulsor. Si los sólidos son muy abrasivos, se requerirá deimpulsor abierto y hasta en algunos casos forrados con jebe. Cuando lossólidos son de gran tamaño es conveniente utilizar impulsores abiertos del tipohelicoidal.5.10 - CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA5.10.1 - NÚMERO DE UNIDADESEl número de unidades de bombeo dependerá del caudal de bombeo y de susvariaciones, y de la necesidad de contar con una unidad de reserva paraatender situaciones de emergencia. 34
  • Es recomendable adoptar el siguiente criterio:- Para pequeñas estaciones (población de diseño menor a 2000 habitantes)se colocarán dos unidades, cada una con capacidad de bombear el caudal debombeo calculado. Una de ellas será la unidad de reserva y funcionaráalternadamente con la unidad principal.- En estaciones mayores (población de diseño mayor a 2000 habitantes), elnúmero mínimo será de dos unidades. Cuando se utilicen únicamente dosbombas, cada una de ellas debe tener una capacidad igual al caudal de diseñode la estación y una trabajará de reserva. Cuando se utilicen más de dosbombas; deberá ser prevista además de las unidades necesarias para elcaudal máximo, por lo menos una bomba de reserva con capacidad igual a lamayor de las bombas instaladas.5.10.2 - VELOCIDAD ESPECÍFICAAntes de introducir este concepto y explicar como influye en la selección debombas, es importante recordar la idea de similitud dinámica en bombascentrifugas.Las bombas geométricamente similares o unidades homologas son aquellasfabricadas en una serie de tamaños, donde las dimensiones interiores guardanuna cierta proporción de escala. Sus eficiencias serán muy parecidas si operanen condiciones homologas, a velocidades y caudales tales que la proporciónentre ellos se mantenga constante. Cuando se operan las bombas homologasde esta manera, es posible clasificar toda la serie basándose en las pruebasrealizadas en un solo tamaño, o un pequeño número de tamaños típicos.La velocidad específica Ns, que es un índice numérico igual a la velocidadque debería tener una bomba homologa para abastecer 1 m3/s a unaaltura de 1 metro.Es decir, con la velocidad específica podemos compara los tipos de bomba conbase a una unidad de presión y una unidad de caudal, así tenemos:Ns = Velocidad especificaN = Velocidad de rotación, rpmQ = Caudal, m3/s.H = Altura, m. 35
  • La velocidad específica se calcula para una bomba de un diseño dado,utilizando aquellos valores de N, Q y H correspondiente a la capacidad nominalde la bomba, es decir, aquella de máxima eficiencia a la velocidad establecida.Para bombas de succión doble, la velocidad específica se calcula a la mitad delcaudal total y para bombas de etapas múltiples, en las que la presión total sedistribuye entre las etapas, el valor de altura es el correspondiente a cadaetapa.La expresión de velocidad específica muestra que, si se tienen dos bombas:-Que abastecen las mismas condiciones de altura y caudal, la de velocidadespecífica mayor tendrá rotación mayor y será de menor tamaño.-Con la misma rotación y capacidad, la de velocidad específica mayorabastecerá menor altura.-Con la misma velocidad y altura, la de velocidad específica mayor abastecemayor capacidad.La velocidad específica identifica a las características de un grupo de bombas,principalmente tiene estrecha relación con las características del impulsor, portanto, el valor de la velocidad específica describirá de inmediato laconfiguración aproximada del impulsor.Del mismo, las bombas con la misma velocidad específica tendrán curvascaracterísticas semejantes.. 36
  • La selección preliminar de una bomba puede realizarse utilizando un grafico develocidad específica, tal como el que se muestra en la Figura 15Con los datos de del proyecto se calcula la velocidad específica, recurrimos aun grafico similar al anterior, y seleccionamos el tipo de bomba más eficientepara el caudal de bombeo de diseño.5.10.3 - BOMBAS HORIZONTALES CONTRA VERTICALESEn la Tabla 2 se detallan las ventajas y desventajas del uso de los diferentestipos de bombas centrifugas y en la Tabla3 se enumera las frecuentesaplicaciones de cada tipo de bombas. 37
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  • 5.11 - FUNCIONAMIENTO EN PARALELO DE LAS BOMBAS.Si el caudal de una sola bomba no fuese suficiente, puede aumentarse elcaudal conectando varias bombas en paralelo. (Ver figura 19). Sin embargo, nobasta multiplicar el caudal de una bomba por el número de ellas, sino que hayque proceder del modo siguiente: si trabaja solamente la bomba 1, se tiene elpunto de funcionamiento B1, si trabaja la bomba 2 solamente, el punto defuncionamiento es el B2.Para calcular el punto de funcionamiento del conjunto B es necesario construirprimero una curva Q-H común. La curva característica común se obtiene poradición de los caudales de cada una de las bombas. Para ello se tomanprimero sobre el eje de ordenadas varios valores, elegidos arbitrariamente, dealturas de elevación y se llevan estas alturas, por ejemplo H1/H2/H3, a lascurvas de las bombas 1 y 2. En los puntos de intersección de las alturas H1, H2,H3, con la curva de la bomba 1 se obtienen los caudales correspondientes Q 1,Q2, Q3. Estos caudales se suman ahora simplemente a los caudales obtenidoscon la curva de la bomba 2 en los puntos de intersección con las alturas H1, H2,H3. Los puntos C, D, E así obtenidos se unen entre sí para formar la curvacaracterística común de las bombas 1 y 2.El punto de intersección de la curva característica de la instalación con lanueva curva característica es el punto de funcionamiento B de las bombasfuncionando en paralelo. La curva característica común comienza en A porquepor encima de A la bomba 1 aún no produce elevación. 40
  • La figura 20 aclara el cálculo de la curva característica común de dos bombasconectadas en paralelo cuando tienen iguales curvas Q-H.Se aprecia claramente que el caudal conjunto que se consigue en el punto defuncionamiento B es menor que la suma de los caudales que se obtendrían concada una de las bombas por sí solas en el punto B15.12 - FUNCIONAMIENTO EN SERIE DE LAS BOMBASSe efectúa la conexión de varias bombas, una a continuación de la otra(conexión en serie) cuando no basta una sola bomba centrífuga para vencer laaltura de elevación deseada. En el funcionamiento en serie se suman lasalturas de elevación de cada una de las bombas para el mismo caudalelevado.(Ver figura 21).Para determinar el punto de funcionamiento B para la elevación común, hayque determinar primero la línea Q-H del conjunto. Esta nueva curva se obtienesumando las alturas de elevación de cada una de las bombas para un mismocaudal. La altura de elevación H1 de la bomba 1 para el caudal Q1 se transportasobre la curva de la bomba 2, y lo mismo se hace con H2, H3, etc. 41
  • Los puntos A, C, D, así obtenidos se unen para formar la curva característicacomún de las bombas 1 y 2. El punto de intersección de la curva característicade la instalación con la nueva línea Q-H es el punto de funcionamiento B de lasbombas centrífugas conectadas en serie.5.13 - SELECCIÓN DE UNA BOMBAEl cálculo de las pérdidas de carga en la red mas desfavorable nos dará lapresión necesaria a la salida de la bomba.Añadiendo las pérdidas de carga en la aspiración mas la altura de laaspiración, obtenemos la Hmt (altura manométrica total).La Hmt varía según el tipo de la bomba y la posición de la fuente de agua. Elcaudal y la Hmt determinan la elección de la bomba. 42
  • Cada constructor propone toda una gama de bombas que se adaptan a cadasituación. Cada tipo de bomba tiene una tabla característica que tiene encuenta:Caudal.Hmt.Curvas características según el número de etapas.Rendimiento.Potencia absorbida.NPSH.NPSH representa la carga mínima al nivel de la brida de aspiración para que labomba funcione correctamente. NPSH (Net Positive Suction Head) es unparámetro que indica la capacidad de las bombas de aspirar en vacío, es decirque la altura máxima teórica de aspiración será de 10,33 m (presiónatmosférica a nivel del mar).Físicamente indica la presión absoluta que debe existir a la entrada de labomba para que no existan problemas de cavitación, que consiste en laformación de pequeñas burbujas de vapor que implosionan generando seriosproblemas serios daños en la bomba y produciendo un ruido similar al delgolpeteo metálico de un martillo.CURVAS CARACTERÍSTICASEl comportamiento hidráulico de un determinado modelo de bomba vieneespecificado en sus curvas características que representan una relación entrelos distintos valores de caudal proporcionado por la misma con otrosparámetros como la altura manométrica, el rendimiento hidráulico, la potenciaabsorbida y el NPSH requerido. Estas curvas, obtenidas experimentalmente enun banco de pruebas, son facilitadas por el fabricante a una velocidad derotación determinada. Se trata curvas extraídas a partir de series estadísticas yque, por tanto, están sujetas a unas determinadas tolerancias.El punto de diseño de una bomba lo constituye aquel en el que elrendimiento es máximo. A la hora de seleccionar nos centraremos enaquellas cuyo punto de diseño está próximo a las condiciones de trabajo querequerimos. Un grupo que trabaja en un punto muy alejado de su punto dediseño, no realiza una transformación eficiente de la energía mecánica enenergía hidráulica, lo cual implica un coste excesivo de la energía deexplotación, amén de estar sujeto a un mayor número de averías.El punto de funcionamiento de una bomba va a estar determinado por laintersección de la curva característica de la conducción o de la red con la curvade carga (curva caudal-altura manométrica) de la bomba. 43
  • Ejemplo. Se pide elegir una bomba que aporte un caudal de 10 m3/h yuna altura manométrica total de 80 m.Entre las familias de bombas escogemos la familia cuyas curvas característicasdan el mejor rendimiento para el caudal solicitado. En este caso sería la familiarepresentada por las curvas características que adjuntamos abajo que dan unrendimiento máximo del 60%.El punto determinado por el caudal de 10 m3/h y la altura manométrica de 80 mse sitúa entre dos curvas. En estos casos siempre escogeremos la curvasuperior. En este caso la que corresponde a la bomba de modelo KV 32/4 quenos aporta un caudal de 10 m3/h y una altura manométrica para ese caudal de85 m. En el nombre del modelo KV 32/4, 4 indica el número de etapas o fases.En la curva vemos que la potencia absorbida por fase es de 0,9 Kw/fase, o seaque para el conjunto será:0,9 x 4 = 3,6 Kw = 4,98 CV por lo que el motor que debe ir acoplado a la bombadebe ser de 5 CV. 44
  • NOTA: 1 CV = 0,736 KwEn la curva característica también vemos que la altura práctica de aspiración esde:NPSH = 2,9 m.Por lo tanto la altura práctica es de 10-2,9 = 7,1 m. 45